Atom i od Antyku do Bohra

Atom i od Antyku do Bohra

Hipoteza o atomowej strukturze materii jest bardzo stara. Filozof grecki Demokryt, żyjący około 400 lat przed narodzeniem Chrystusa, twierdził, że cała materia jest zbudowana z maleńkich cząsteczek. Te cząsteczki – jego zdaniem – były niezniszczalne i niepodzielne, a pomiędzy nimi miała znajdować się próżnia. Arystoteles z kolei twierdził, że próżnia nie może istnieć i tym samym podważył hipotezę Demokryta.

W 1802 roku angielski badacz John Dalton zdobył pierwsze dowody na to, że atomy rzeczywiście istnieją. Wyobraził je sobie jako małe kule bilardowe. Podobnie jak Demokryt twierdził, że są one niepodzielne i niezniszczalne. Zmierzył masę niektórych atomów i wyjaśnił mechanizm powstawania cząsteczek.

W roku 1897 inny angielski naukowiec, Joseph John Thomson, podważył teorię niepodzielności atomów. Odkrył on w atomach jeszcze mniejsze ujemnie naładowane cząsteczki, które nazwał elektronami. Sądził, że elektrony są rozrzucone w atomach jak rodzynki w cieście.

Jądro atomowe

Dalszy postęp w badaniach atomów nastąpił w 1911 roku dzięki pracom Nowozelandczyka Ernesta Rutherforda, zatrudnionego w anglii. Bombardował on cienką złotą folię cząsteczkami alfa. Jest to promieniowane wysyłane przez niektóre substancje promieniotwórcze, jak na przykład rad. Rutherdford był zdumiony stwierdziwszy, że tylko nieliczne cząsteczki alfa odbijały się od folii, niewielka ich ilość zakrzywiała swój tor, natomiast większość przechodziła przez nią swobodnie.

Wyjaśnienie tego zjawiska wymagało założenia, że większość masy atomu złota jest skupiona na bardzo małym obszarze, który nazywamy obecnie jądrem atomu. Rutherford uznał że elektrony otaczające jądra tworzą coś w rodzaju chmury. W roku 1913 duński badacz Niles Bohr zaproponował bardziej uporządkowany model, w którym elektrony krążą wokół jądra – podobnie jak planety i inne ciała niebieskie obiegają Słońce – po orbitach o określonych promieniach.

Dziś wiemy już, że jądro atomu złożone jest z dwóch rodzajów cząsteczek – protonów i neuronów. Protony, podobnie jak elektrony, obdarzone są niewielkim ładunkiem elektrycznym. Jest to jednakże ładunek przeciwny do ładunku elektronów. Ładunek protonu nazywamy dodatnim, a elektrony ujemnym. Neutrony znajdujące się w jądrze atomu nie mają żadnego ładunku elektrycznego – są cząsteczkami neutralnymi.

Niels Bohr wyobrażał sobie, że elektrony poruszają się wokół jąder po ściśle ustalonych orbitach. Według jego teorii pozostawieni elektronu na każdej z tych orbit oznacza, że posiada on określoną energię kinetyczną, dzięki której nie spada na jądro.

Największą energię kinetyczną ma elektron na orbicie położonej najbliżej jądra. Ze wzrostem odległości od jądra jego energia kinetyczna maleje, natomiast wzrasta jego energia potencjalna w konsekwencji jego energia całkowita. Przejście elektronu z jednej orbity na drugą wymaga pochłonięcia lub emisji energii w postaci impulsu światła, czyli fotonu.

Obrazy falowe

Późniejsi badacze atomów wzięli pod uwagę koncepcję Bohra, jednak uwzględnili ponadto falowe własności elektronu. Elektrony mogą bowiem zachowywać się jak fale. Na przykład przechodząc przez bardzo wąską szczelinę uginają się i rozchodzą w różnych kierunkach. Falowe własności elektronu wewnątrz atomu należy rozumieć w ten sposób, że nie można precyzyjnie określić miejsca jego przebywania. Zamiast mówić że nie można precyzyjnie określić miejsca jego przebywania. Zamiast więc mówić, że elektrony znajdują się na konkretnych orbitach, możemy wykreślić mapy prawdopodobieństwa ich znalezienia. Przypomina to nocne zdjęcia miast, na których co prawda nie można dostrzec poszczególnych samochodów, lecz widać natężenie ich ruchu.

Obszar przestrzeni zajmowany przez elektrony nazywamy powłoką. Najprostsza z nich ma kształt kuli i mogą na niej znajdować się dwa elektrony. Inne powłoki są bardziej skomplikowane i mogą przybierać kształt hantli lub klepsydry. Odkrycie sposobu zapełniania powłok atomowych przez elektrony pozwoliło fizykom wyjaśnić własności chemiczne atomów.

Badania cząsteczek, które tworzą jądra atomowe, prowadzi się za pomocą akceleratorów. Są to ogromne urządzenia, w których cząsteczki elementarne przyspiesza się do wielkich prędkości, bliskich nawet prędkości światła.

Tak rozpędzone cząsteczki zderzają się z jądrami tarczy, wytwarzając kaskadę innych cząsteczek o bardzo krótkich czasach życia. Tory tych cząsteczek rejestruje się za pomocą wielu rodzajów detektorów, takich na przykład jak komory pęcherzykowe. Cząsteczki lecące przez tę komorę pozostawiają w niej bowiem w postaci drobnych pęcherzyków pary ułożonych wzdłuż swego toru. Magnesy umieszczone wokół komory zakrzywiają tory cząsteczek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Szczegółowa analiza tych torów – ich długości i odchyleń – umożliwia identyfikację cząsteczek.

Eksperymenty w akceleratorach dowiodły istnienia wielu różnych cząsteczek elementarnych, wśród których wyróżniamy cząstki ciężkie, takie jak piony i kaony. Cząsteczki te podobnie jak protony i neurony zbudowane są z elementarnych cegiełek, które zostały nazwane kwarkami. Protony i neurony złożone są z trzech różnych kwarków, piony i kaony z par kwarków.

Istnieją również cząsteczki lekkie, jak na przykład neutrino. Cząsteczka ta wydaje się nie mieć w ogóle masy. Nie jest również zbudowana z kwarków. Podobnie nie są zbudowane z kwarków elektrony oraz inne, nieco cięższe, obdarzone ładunkiem elektrycznym cząsteczki nazywane tau i mion. Badania cząsteczek nie zostały jeszcze zakończone; fizycy wciąż mają bardzo wiele do odkrycia w tej dziedzinie.